一种聚合物-空气双腔级联的温度、氢气浓度传感器探头及其制作方法

本发明属于光纤传感器件制作与应用，具体涉及一种聚合物-空气双腔级联的温度、氢气浓度传感器探头及其制作方法。

背景技术：

1、氢气作为一种清洁能源，在航空航天、电力、矿业、汽车等领域得到了广泛应用，但氢气是一种易燃易爆的危险气体，且爆炸范围宽，因此，氢气浓度的检测尤为重要，传统电学传感器在安全性、测量灵敏度以及多点复用检测方面存在不足，光纤传感技术的发展为氢气浓度检测与安全预警提供了新的方法与途径；光纤法布里-珀罗干涉仪(fpi)型传感器，由于具有光纤传感器的诸多优点，被广泛研究和应用，特别是传感结构的可复用和高灵敏特性在气体传感检测中有广阔的应用前景；光纤fpi结构可等效为由两块光学平板玻璃组成的多光束干涉仪，光纤fpi结构包含法布里-珀罗谐振腔即fp腔，当一束光入射到fp腔时，它会在两个平行平面反射镜之间多次反射，形成多光束干涉，通过在两个平行平面反射镜的内表面镀上薄银膜或者其他反射率较高的薄膜，可有效增加玻璃板的光学反射率，增强干涉效果。

2、专利公布号为cn116642857a、名称为“一种光学微腔结构、制备方法及氢气传感器”的发明，公开了一种光学微腔结构、制备方法及氢气传感器，该结构的制作新颖性在于钯纳米孔阵列薄膜，基本原理是氢气与pd反应时由于pd对氢气的吸附效应，吸收氢气后体积变大，导致pd膜向内弯曲，导致微腔长度变小，导致干涉光谱的漂移，该专利的创新性在于pd膜的制备，利用该方法制作的pd膜可以更好地吸附氢气，增大传感器的灵敏度，但存在其pd膜制作难度过大，pd的吸氢解氢过程容易导致pd膜的损坏问题。

3、专利公布号为cn108152220a、名称为“基于双c型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器”的发明，公开了一种基于双c型空腔微型的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器，将空芯光纤分隔成两个c型空腔，一个c型微腔形成干涉结构，另一个c型微腔在pdms上内嵌氢气敏感材料作为传感区，当氢气浓度增加，pt/wo3(三氧化钨载铂)粉末与氢气发生反应产生热，pdms薄膜体积发生膨胀，导致干涉谱移动，通过检测干涉波长的变化就可以得到氢气的浓度，但由于入射光波先通过空气腔再通过pdms腔，相比于光波先通过pdms腔再通过空气腔的光波，前者能量损失较大，影响最终干涉效果，同时，其空芯光纤内部体积有限导致pdms上粘附的pt/wo3粉末数量有限，影响氢气浓度检测范围，同时，该发明涉及二次固化过程，制作工艺相对复杂。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提出一种聚合物-空气双腔级联的温度、氢气浓度传感器探头及其制作方法，该传感器探头通过在毛细管内部形成一个聚合物腔和一个空腔，并在毛细管外表面涂覆pdms和wo3(三氧化钨)，能够检测不同温度和不同氢气浓度，具有灵敏度高、制作工艺简单、成本低等特点。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、一种聚合物-空气双腔级联的温度、氢气浓度传感器探头，包括毛细管7，其特征在于，所述毛细管7的一端填充有聚合物，第一光纤8、第二光纤9分别从毛细管7填充有聚合物的一端和另一端沿同一轴线插入毛细管7内部，第一光纤8端面与聚合物和空气的交界面之间形成聚合物腔4、聚合物和空气的交界面与第二光纤9端面之间形成空腔10，所述毛细管7外表面包裹有pdms5，所述pdms5表面附着有氢敏材料6。

4、进一步的，所述聚合物为紫外线固化胶粘剂，聚合物腔4长度l1为91μm-180μm，所述空腔10长度l2为30.0μm-38.5μm。

5、进一步的，所述pdms5长度为10mm-15mm，pdms5厚度为0.75mm-0.81mm。

6、进一步的，所述氢敏材料6为wo3，氢敏材料6长度为10mm-15mm，氢敏材料6厚度为7μm-8μm。

7、进一步的，所述第一光纤8、第二光纤9为单模光纤，第二光纤9与毛细管7形成的环形空隙11填充有紫外线固化胶粘剂。

8、一种聚合物-空气双腔级联的温度、氢气浓度传感器探头制作方法，包括以下步骤：

9、s1、将第一光纤8的一端去除涂覆层1并用切刀切平端面，控制裸露在外的包层2长度的为3mm-5mm，将第二光纤9的一端去除涂覆层1并用切刀切平端面，控制裸露在外的包层2的长度为12mm-15mm；

10、s2、在毛细管的一端内壁上滴入聚合物，利用毛细作用使聚合物填充满毛细管7横截面，填充长度为180μm-270μm；

11、s3、将步骤s1所述的第一光纤8未去除涂覆层1的一端与解调仪相连接，所述解调仪与计算机相连接，将步骤s1所述的第一光纤8去除涂覆层1的一端用酒精擦拭干净后插入步骤s2所述毛细管7填充有聚合物的一端，插入过程中通过解调仪观察自由光谱范围fsr的变化，当自由光谱范围fsr宽度为4nm-5nm时停止插入，使用紫外灯照射毛细管7进行聚合物固化操作，使毛细管7内第一光纤8端面一侧形成长度l1为91μm-180μm的聚合物腔4；

12、s4、将步骤s1所述的第二光纤9去除涂覆层1的一端用酒精擦拭干净后插入步骤s2所述毛细管7未填充聚合物的另一端，保持毛细管7内部第二光纤9与第一光纤8在同一直线上，插入过程中通过解调仪观察自由光谱范围fsr变化，当自由光谱范围fsr为30nm-40nm时停止插入，在毛细管7插入第二光纤9的一端内壁上滴入聚合物并使其将毛细管7与第二光纤9形成的环形空隙11截面封闭，使用紫外灯照射毛细管7进行聚合物固化操作，使毛细管7内第二光纤9端面一侧形成长度l2为30.0μm-38.5μm的空腔10，该空腔10与步骤s3所述聚合物腔4相邻；

13、s5、将步骤s4所述形成空腔10的毛细管7插入直径为2mm、长度为1.0cm-1.5cmm的软管模具中，在软管模具内部毛细管7表面填充pdms5，使位于软管模具内部的毛细管外表面完全被pdms5覆盖，形成的pdms5长度为10mm-15mm、厚度为0.75mm-0.81mm，最终形成内部填充有pdms5和毛细管7的软管模具；

14、s6、将步骤s5所述的填充有pdms5和毛细管7的软管模具放入管式炉中，设置温度60℃-80℃、时长6h-4h烤制；

15、s7、将步骤s6所述的烤制后的软管模具拆除，形成包裹有pdms5的毛细管7并将其放入盛有氢敏材料6的容器中，使pdms5外表面完全附着7μm-8μm氢敏材料6。

16、进一步的，所述传感器探头制作方法中的聚合物为紫外线固化胶粘剂。

17、进一步的，所述传感器探头制作方法中的氢敏材料6为wo3。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

19、1.现有部分氢气浓度传感器只有单个fp腔，其灵敏度低，不能满足测量的需求，本发明使用聚合物腔4和空腔10形成双fp腔级联，根据热膨胀效应，极大程度提高了传感器的灵敏度。

20、2.本发明巧妙利用毛细作用形成了聚合物腔4和空腔10，并使用紫外线固化胶粘剂作为聚合物，解决了fp腔级联成本高，工艺复杂的问题，并在双fp腔外部的pdms上附着wo3粉末，在聚合物腔4和空腔10作为温度传感器的基础上，利用wo3与氢气反应放热使聚合物热膨胀原理，增加了氢气浓度传感作用，同时工艺简单。

21、综上所述，本发明在毛细管内部的两个光纤端面之间巧妙形成聚合物腔4和空腔10，并在双fp腔外部的pdms上附着wo3粉末，不仅具备了温度传感和氢气浓度传感双重作用，还解决了现有fp腔级联成本高、工艺复杂的问题，具有很好的应用推广前景。